基于石墨烯的超级电容器的制备及其电性能研究

发布时间：2017-07-06 05:07

  本文关键词：基于石墨烯的超级电容器的制备及其电性能研究

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【摘要】：超级电容器作为一种有前途的电化学储能装置。有许多电池无法相比的优点,较短的充放电时间,较长充放电次数和优异的循环稳定性,得到了越来越多的应用。石墨烯因其本身突出的性能,使其成为研究超级电容器电极材料的热点,通过材料间的协同作用,引入其他材料与石墨烯进行复合,弥补石墨烯理论比电容的不足,是改进材料比电容的重要手段。本论文的主要研究内容如下:1、采用改良之后的hummers法,成功制备出单层石墨烯。利用氧化石墨烯为原料,经由化学还原之后,通过相关的测试手段对样品的形貌和结构进行表征。同时研究材料的电化学性能,研究发现,氧化石墨烯经过维生素C还原之后,石墨烯基本上是单层的,其片层结构变小。在以6 mol/L的氢氧化钾为电解质,电流密度为1 A/g的条件下,石墨烯的最大比电容可达155 F/g。2、将得到的氧化石墨烯,分别在不同的温度条件下进行热还原,研究不同热还原温度对石墨烯结构形貌的影响,通过对样品进行电化学性能的测试,分析温度对石墨烯电容性能的影响。研究发现随着热处理温度的升高,石墨烯的比电容先是增大后面减小,当热还原的温度为200 oC时,石墨烯的比电容达到最大260 F/g。同时研究了结冰速率对冷冻干燥石墨烯结构以及性能的影响。3、系统研究了加入氢氧化钾之后的氧化石墨烯,在不同温度下,其结构和性能的影响关系,研究了在不同处理温度下活化石墨烯的比电容与比表面积、含氧量之间的关系。通过XPS,Raman,FT-IR了解材料含氧官能团的变化,XRD,BET,SEM,TEM了解材料孔结构的变化;最后通过电化学测试手段,了解材料的电性能变化。研究发现发现当石墨烯的处理温度在400°C时,材料的比电容达到最大(326 F/g),当处理温度为800°C时,材料的比表面积达到最大3269m2/g,此时材料比电容为204 F/g。4、采用一步合成的方法制备氧化石墨烯与聚苯胺三维结构复合材料,研究不同氧化石墨烯含量对石墨烯聚苯胺复合材料结构和性能的影响。采用FT-IR等手段表征这种复合材料的结构。研究发现当氧化石墨烯含量5%时,此时聚苯胺与氧化石墨烯性能的三维结构最均匀,复合材料的电性能也达到最大(402 F/g)。同时将高比表面积石墨烯与聚苯胺复合,研究发现当苯胺浓度为3 mmol/L时,材料的比电容达到442 F/g。
【关键词】：超级电容器 石墨烯 高比表面积 聚苯胺
【学位授予单位】：湘潭大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ127.11;TM53
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 第1章 绪论10-21
• 1.1 引言10
• 1.2 超级电容器的简介10-12
• 1.2.1 超级电容器的特点10-11
• 1.2.2 超级电容器的原理11-12
• 1.3 石墨烯的简介12-16
• 1.3.1 石墨烯的结构与性质12-13
• 1.3.2 石墨烯的制备方法13-14
• 1.3.3 石墨烯在超级电容器方面的应用14-16
• 1.4 石墨烯聚苯胺复合材料16-19
• 1.4.1 石墨烯聚苯胺复合材料的制备16
• 1.4.2 石墨烯聚苯胺复合材料在超级电容器方面的应用16-19
• 1.5 选题目的和意义及研究的内容19-21
• 第2章 实验方法及原理21-27
• 2.1 主要试剂及仪器设备21-23
• 2.1.1 主要试剂及原料21-22
• 2.1.2 主要实验仪器22-23
• 2.2 材料的形貌分析和结构表征23-24
• 2.2.1 拉曼光谱仪(Raman)23
• 2.2.2 扫描电子显微镜分析(SEM)23
• 2.2.3 原子力显微镜(AFM)23
• 2.2.4 透射电子显微镜(TEM)23
• 2.2.5 X射线光电子能谱分析仪(XPS)23
• 2.2.6 X射线衍射仪(XRD)23-24
• 2.2.7 比表面(BET)与孔径分布(BJH)24
• 2.2.8 傅里叶变换红外光谱(FT-IR)24
• 2.3 超级电容器电极的制备及二电极体系的组装24-25
• 2.3.1 超级电容器电极的制备24-25
• 2.3.2 超级电容器二电极体系的组装25
• 2.4 超级电容器电化学性能测试25-27
• 2.4.1 循环伏安法25
• 2.4.2 恒流充放电法25-26
• 2.4.3 交流阻抗法26-27
• 第3章 石墨烯的制备及其电性能研究27-46
• 3.1 氧化石墨烯的制备及表征27-33
• 3.1.1 氧化石墨烯的制备27-28
• 3.1.2 氧化石墨烯的表征28-31
• 3.1.3 氧化石墨烯溶液的浓度标定31-33
• 3.2 维生素C还原氧化石墨烯及其电性能研究33-36
• 3.2.1 制备方法33
• 3.2.2 VC还原石墨烯的物理性能表征33-34
• 3.2.3 VC还原石墨烯电性能研究34-36
• 3.3 热还原氧化石墨烯及其电性能的研究36-41
• 3.3.1 热还原氧化石墨烯的制备36
• 3.3.2 热还原石墨烯的物理性能表征36-38
• 3.3.3 热还原石墨烯电性能研究38-41
• 3.4 不同冷冻速率对石墨烯的影响41-44
• 3.4.1 制备方法41-42
• 3.4.2 材料的结构表征42-44
• 3.5 本章小结44-46
• 第4章 高比表面积石墨烯的制备及其电性能研究46-59
• 4.1 制备方法46-47
• 4.2 不同因数对活化石墨烯比表面积的影响47-49
• 4.2.1 活化时间对石墨烯表面积的影响47-48
• 4.2.2 超声对活化石墨烯的影响48
• 4.2.3 活化温度对石墨烯比表面积的影响48-49
• 4.3 材料性能表征49-55
• 4.3.1 XRD分析49-50
• 4.3.2 FT-IR分析50-51
• 4.3.3 Raman分析51-52
• 4.3.4 BET测试结果分析52
• 4.3.5 XPS分析52-54
• 4.3.6 TEM分析54-55
• 4.4 电化学性能分析55-58
• 4.5 本章小结58-59
• 第5章 石墨烯聚苯胺复合材料的制备及其电性能研究59-70
• 5.1 氧化石墨烯与聚苯胺的复合及其电性能研究59-66
• 5.1.1 制备方法59-60
• 5.1.2 材料的物理性能表征60-64
• 5.1.3 材料的电化学性能表征64-66
• 5.2 高比表面积石墨烯与聚苯胺复合及其电性能研究66-69
• 5.2.1 制备方法66
• 5.2.2 材料物理性能表征66-67
• 5.2.3 材料电化学性能表征67-69
• 5.3 本章小结69-70
• 第6章 总结与展望70-72
• 6.1 总结70-71
• 6.2 展望71-72
• 参考文献72-79
• 致谢79-80
• 个人简历、在学期间发表的学术论文和研究成果80

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